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用纳米探针检测由胰腺癌细胞分泌的胞外囊泡

2019年03月13日 栏目:故事

原理示意图:两种折射不同波长光的纳米探针(绿色的球、红色的杆),其中一个探针能够与胰腺癌相关囊泡的表面蛋白ephA2结合,而另一个探针负责识

原理示意图:两种折射不同波长光的纳米探针(绿色的球、红色的杆),其中一个探针能够与胰腺癌相关囊泡的表面蛋白ephA2结合,而另一个探针负责识别囊泡表面常见的蛋白质。仅仅只有胰腺癌细胞分泌的囊泡才会同时表达两种蛋白质,从而会吸引两种探针,终释放出亮黄色的信号。

美国亚利桑那州立大学Virginia G. Piper个性化诊断生物设计中心(Biodesign Virginia G. Piper Center for Personalized Diagnostics)的研究人员们发明了一项新技术,通过灵敏探测胞外囊泡可以诊断早期胰腺癌。

胰腺癌的诊断一直以来繁琐又昂贵。早期胰腺癌并没有什么明显症状,时常当患者们发现患病时,疾病已经发展到了恶性程度很高的晚期。事实上,根据美国癌症协会(American Cancer Society)数据显示,80%的胰腺癌患者确诊后的生存时间不会超过1年。

Tony Hu与他的同事们详述了这项技术,它的核心是通过灵敏的纳米探针检测胞外囊泡(EVs),一种多数细胞都可以分泌的携带物质的小泡,当这些囊泡由肿瘤细胞分泌出时,它们会携带特定表面蛋白EphA2,它可以作为胰腺癌的标志物。甚至可以用来检测非常早期的胰腺癌。

早期诊断所需的信号

目前,胰腺癌的治疗方式仍是通过外科手术除去患处,但在不少病例中,患者诊断时发现癌症已经扩散,这种方法就不再可行。

Hu博士表示:“许多其它的技术已经被用来检测胰腺癌,但是由于这种癌症的自身特点,

用纳米探针检测由胰腺癌细胞分泌的胞外囊泡

诊断效果并不是很好。早期胰腺癌的诊断标志物难以捕捉,症状也不明显。它不像乳腺癌,患者会依据身体疼痛、异常增生等症状尽早得到诊疗。我们迫切需要一种早期血液标记物来检测胰腺癌。”

如今,这项研究表明,使用两种不同的纳米粒子相互作用平台来检测肿瘤相关的胞外囊泡,可以在患者的血液样本中灵敏地区分出胰腺癌和与胰腺癌症状相似的胰腺炎患者。

进一步来说,这项技术终或许可以根据特定的胞外囊泡信号来对多种疾病进行快速灵敏诊断。

胞外囊泡

包括人类细胞在内的真核细胞与原核细胞(像细菌细胞,它们没有细胞核或其它膜组分)均可分泌胞外囊泡。胞外囊泡就像微型细胞,但它们缺乏细胞中复杂的机制。

这些囊泡种类繁多,是由它们的亲本细胞(parent cells)通过不同的方式产生的。此项研究主要探讨的是大小在 nm范围内的外泌体(exosomes),它们来自细胞中的膜结合组分核内体(endosomes),后者终将与细胞外膜融合从而将外泌体释放到细胞外。

胞内囊泡曾被认为是细胞代谢活动中产生的碎片,而现在被认为是执行细胞中遥远使命的重要组成部分,它的功能才刚刚显露出来。胞内囊泡负责促成细胞间微妙而复杂的交流络,在物种间也具有高度保守性,这表明他们在生命进程中起着至关重要的作用。

胞内囊泡的活动伴随着核酸,蛋白质和脂质的转移,这会在亲本细胞和靶细胞中均引发生理和病理变化。此外,胞外囊泡在先天性和适应性免疫反应中也发挥着关键作用。

来自肿瘤的外泌体

已有研究表明,胞外囊泡循环与许多疾病都密切相关。胞外囊泡在包括胰腺癌在内的一些癌症发生发展中起着重要的作用。

当囊泡由癌变细胞分泌出后,它们会迁移至其他组织,并修改其微环境,从而创造一个有利于肿瘤增殖和扩散的环境。这种功能类似于一个新大陆的“开拓者”,为肿瘤细胞的苏醒而铺路。

也有证据表明,肿瘤细胞分泌的外泌体通过清除或者中和抗癌药物,会助长肿瘤细胞的耐药性。

由于患者血液样品中肿瘤细胞分泌的囊泡会随着肿瘤的重量增加而增加或随着积极治疗后减少,胞外囊泡可以提供一个有效的评估致癌负担值(cancer burden)和肿瘤对治疗反应的方法。这种方法快速、廉价并且不需要手术介入就可以检查病人的疾病状态与变化。

识别例如EphA2的肿瘤相关胞外囊泡蛋白,更加了解在肿瘤发展和转移中胞外囊泡的作用,可能会为癌症诊断和治疗监测打开新的篇章。

鉴于胰腺癌患者的特点往往是耐药率高,他们迫切需要治疗监测的改进,以便可以迅速转变成个性化的治疗,并改善个体病人治疗效果。此外,增进对控制胞外囊泡行为的特定因子的认识,有助于了解促进癌症发展、转移的关键机制,从而有望为癌症治疗提供有效的靶点并为患者定制治疗方案。

利用纳米颗粒增强散射分析

胞外囊泡已经从多种细胞与生物液体(唾液、尿液、血液、乳汁、精液、羊膜、鼻腔和支气管灌洗液)中被分离出,这使他们在各种条件下成为生物标志物中极具吸引力的候选者。然而,在体液中从多种胞外囊泡的循环里分离出与疾病相关的胞外囊泡是一项严峻的挑战。

研究人员们缺乏可以分析胞外囊泡的简单方法,目前用的方法需要进行长时间的离析和纯化,不适合临床使用。此外,研究人员们还缺乏能够准确区分由肿瘤分泌出的胞外囊泡的生物标志物。

为了解决这些不足之处,新的方法依赖于一个快速的,基于纳米颗粒的技术,它可以在极低的样品量中迅速识别肿瘤细胞分泌出的胞外囊泡。

要完成这项诊断,首先需要采集少量血液样本(约1微升,小于之前使用的约一滴泪珠大小体积的样本),稀释并将其加至传感器芯片上,芯片表面覆盖有与囊泡膜蛋白结合的抗体。随后,与抗体结合的胞外囊泡会与抗体包被的纳米探针混合,它们一个是绿色的纳米球,领一个是红色的纳米棒,这两种纳米探针会再一次与另外一种囊泡膜蛋白还有胰腺癌特有的标志物EphA2蛋白结合。

只有胰腺癌细胞分泌的胞外囊泡会同时与两种纳米探针结合,它们在囊泡表面亲密接触后,会引发一种耦合效应,使折射光的强度显著增加并改变其颜色,发射出暗视野显微镜可见的光信号。

Hu博士与他的同事们经过一系列试验证实,该技术能够灵敏地从血液样本中检测出胰腺癌患者,包括在胰腺炎和健康个体中检测出早期胰腺癌患者。此外,这一方法还可以检测患者接受治疗前后血液中带有EphA2的胞外囊泡变化水平,它反映了肿瘤细胞对于治疗的应答,这表明可以利用该方法来检测治疗效果。

生物标志物的前景

虽然目前的研究依然需要光学显微镜检测样本,但是研究人员计划开发出一款完全自动化的系统,能够以低成本、高通量的优势完成临床诊断。Hu博士表示,他对这种新诊断技术的临床转化有着浓厚的兴趣,但他也指出可能需要2 - 3年才能获得FDA的批准。

这种方法让很多以胞外囊泡为生物标志物的疾病诊断有了希望,因为它可以通过替换一个或两个胞外囊泡特异性的纳米探针来为某个疾病定制的诊断方法。

Hu博士与他的同事们已经证明尽管该研究的样本含量较小,但这种方法用于检测活动性结核病是有效的。,在本研究中,他们在患者尿液样本中检测到了大量的由结核杆菌分泌的囊泡。

这些鼓舞人心的结果为简单的、非侵入性的结核病检测打开了新大门。它对于在标准结核病检测中不能产生痰样本的患者来说尤为重要,否则这些患者可能要接受一个或多个侵入性的取样方式来获取诊断所需的样本。

许多有关胞外囊泡对其他疾病应用研究的步伐也在不断加快,一些研究人员甚至在探索直接将胞外囊泡作为药物递送或治疗疾病的媒介。因此,一度被忽视为细胞碎片的胞外囊泡,它的潜在医疗应用前景辽阔。

翻译:闫亢

审校:张哲

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